EP2046532A1 - Deckelelement für eine sonotrode und strahlkammeranordnung zum oberflächenstrahlen von bauteilen - Google Patents

Deckelelement für eine sonotrode und strahlkammeranordnung zum oberflächenstrahlen von bauteilen

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Publication number
EP2046532A1
EP2046532A1 EP07801199A EP07801199A EP2046532A1 EP 2046532 A1 EP2046532 A1 EP 2046532A1 EP 07801199 A EP07801199 A EP 07801199A EP 07801199 A EP07801199 A EP 07801199A EP 2046532 A1 EP2046532 A1 EP 2046532A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cover element
wall
blasting
chamber
blasting chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07801199A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erwin Bayer
Philipp THÜMMLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP2046532A1 publication Critical patent/EP2046532A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C5/00—Devices or accessories for generating abrasive blasts
    • B24C5/005—Vibratory devices, e.g. for generating abrasive blasts by ultrasonic vibrations

Definitions

  • the invention relates to a cover element for a sonotrode and a blasting chamber arrangement for surface blasting of components specified in the preambles of claims 1 and 8, respectively.
  • cover elements and blasting chamber arrangements are used, for example, for surface blasting with the aid of balls as blasting material of components such as blisks, rotor blades, blade roots or the like.
  • the balls are accelerated via the cover element of the sonotrode within a blasting chamber and thrown at high speed against the surface to be treated of the respective component.
  • a central problem of surface blasting is that improper weakening or even destruction of the component is easily caused by incorrect process control such as too long processing time, too short distance between the cover element and component or too high acceleration of the blasting material. Therefore, sonotrodes, cover elements and blasting chamber arrangements by which a gentle and targeted process control and the processing of various types of components can be ensured, of great interest.
  • Such a cover element and such a blasting chamber arrangement can be seen as known from DE 600 17 681 T2, in which a method for ultrasonic shot peening of large-sized, annular surfaces of thin-walled workpieces is described.
  • a rotationally symmetrical component such as a drive cone of a turbomachine for aircraft, is surface-blasted by means of a blasting chamber arrangement.
  • the component is continuously rotated at least five times at the upper opening of the blasting chamber arrangement. attached while being blasted by accelerated by a sonotrode balls. Through the multiple passing by a gentle and uniform surface treatment is to be ensured.
  • the used steel chamber itself is smaller than the component to be treated formed and consists of an upwardly open space, which is bounded by a wall to the sides and by a bottom to the bottom.
  • the cover element of the sonotrode is arranged, which is set in vibration by a vibration generator.
  • a clearance with a smaller amount than the diameter of the balls is set between the component and the wall of the blasting chamber.
  • a disadvantage of this known blasting chamber arrangement is the fact that the cover element must be inserted accurately into the bottom of the blasting chamber in order to avoid falling through of the blasting material from the blasting chamber.
  • the cover element accelerates the grit relatively undirected, so that only a small proportion is directed to the component to be radiated.
  • a disadvantage of the disclosed blasting chamber arrangement is to be considered that the game between the blasting chamber and the corresponding component to be radiated must be set consuming. This is often not possible, especially with an irregular surface geometry of the component, so that an individually adapted blasting chamber has to be developed for each component.
  • the known blasting chamber arrangement can only be used for relatively large, rotationally symmetrical components and is also not for sophisticated geometries, such as the inside of the components used.
  • Object of the present invention is therefore to improve a cover member of a sonotrode of the type mentioned so that it is easier and more variable to use and allows a more directed acceleration of the blasting.
  • Another object of the invention is to provide a blasting chamber arrangement of the type mentioned, with which a simpler and more controllable surface irradiation of Components of various sizes, geometries and contours is made possible and which can be easily adapted to these components.
  • At least one wall is provided on the cover element of the sonotrode, which is to be arranged in particular for accelerating blasting material within a blasting chamber for surface blasting of components and to be operated by means of a vibrator of the sonotrode, which is arranged in a predetermined position on the cover element and to move along with it.
  • a vibrator of the sonotrode which is arranged in a predetermined position on the cover element and to move along with it.
  • those types which have vibration exciters designed as ultrasonic piezoactuators can be used as the sonotrode.
  • the advantages of such a cover element are clearly visible. Due to the guiding action of the wall, the blasting material to be accelerated can be directed more specifically onto the surface of the component to be irradiated, thus ensuring improved and reproducible process control.
  • the wall also increases the stability of the oscillating surface of the cover element, so that an improved and more efficient energy transfer from the sonotrode is ensured on the blasting material.
  • a sonotrode provided with such a cover element allows a particularly compact design of a blasting chamber, so that even sterically demanding surface geometries, such as inner sides of components, can be processed.
  • Another advantage is achieved in that, for example, in contrast to the prior art according to DE 600 17 681 T2, the lateral clearance between the cover element of the sonotrode and the wall of the blasting chamber no longer needs to be tuned.
  • the wall is arranged on a lateral edge region of the cover element.
  • the wall is also formed circumferentially around the lid member so that the blasting chamber is bounded both downwardly and laterally completely by the lid member.
  • Particular advantages can be achieved in particular by the fact that the moving along with the lid member wall itself forms the wall of the blasting chamber.
  • the wall is replaceable and / or removably formed by the cover element, a particularly simple way is created, the cover element with extremely low set-up effort quickly and cost-appropriately matched to different surface geometries of different components. Since the moving along with the lid member wall itself forms the blasting room, can thus be used by replacing the wall a single sonotrode for irradiating a variety of surfaces.
  • An additional improvement of the adaptability to different spatial conditions is made possible in a particularly simple manner by the fact that the wall is adjustable in position on the lid member and can be fixed in the set position. Such adjustment and fixation can be done via suitable releasable connection elements such as screw or clamp connections. However, all other suitable types of connection known to the person skilled in the art are also conceivable.
  • the height of the wall in relation to the width, in particular to the diameter, of the cover element is considerably smaller and preferably in a ratio between 1: 6 and 1:14 and in particular 1:10. Since a significantly smaller in comparison to the cover element wall also has a correspondingly lower inertial mass, which must be accelerated by the lid member, in this way a particularly fast response and largely delay-free Mitbe admire the wall can be ensured.
  • a ratio of about 1:10 has proven to be a particularly suitable compromise between the requirements of Mitbewegberry, ie the lowest possible mass, and the Leitelementigenschaften for blasting, so the highest possible height.
  • a structural Particularly simple and for deflecting the blasting material on the surface of the component particularly suitable embodiment of the cover element can finally be achieved in that the wall is at least approximately at right angles to the cover element.
  • a blasting chamber arrangement for surface blasting of components comprises a blasting chamber delimited by at least one wall and at least one sonotrode with a cover element by means of which blasting material is to be accelerated within the blasting chamber, it being provided that the cover element has at least one this mitzubedorfden wall portion of the wall comprises.
  • the cover element of the sonotrode comprises at least one wall region of the wall of the blasting chamber and that this wall region can be moved along with the cover element.
  • the cover element transmits the vibration generated by the sonotrode to the blasting material to be introduced into the blasting chamber, which is thereby accelerated onto a surface of a component to be arranged at an opening of the blasting chamber.
  • the opening is preferably located on the side opposite the cover element of the sonotrode side of the blasting chamber, although also deviating spatial arrangements are conceivable. Consequently, in contrast to the prior art, it is no longer necessary to fit the cover element of the sonotrode into the bottom of the blasting chamber arrangement in order to close it precisely and thereby avoid the loss of blasting material.
  • At least one further wall region of the wall is provided, which is designed as a guide element adjoining the wall region moving along with the cover element.
  • a simple adjustment of the distances and deflection angle of the blasting material can be performed.
  • the further wall area can be adjusted in position and fixed in the set position, a particularly quick and easy way of adapting the blasting chamber arrangement to components having very different surface geometries can be achieved.
  • the additional wall area formed, for example, as a guide element is mounted directly on the wall area to be co-moved with the cover element.
  • As a simple and cost-effective way to set and set the wall area are, for example, screw. Conceivable, however, are other types of connections known to the person skilled in the art and possible arrangements.
  • a first device for determining an impact frequency and / or impact intensity of the blasting material to be accelerated within the blasting chamber which preferably faces away from the cover element Side is to be arranged on the component.
  • Particularly suitable for this purpose are devices which, for example, comprise induction sensors, sound sensors or the like designed as vibration sensors.
  • a second device is provided for replenishing the blasting material to be accelerated within the blasting chamber.
  • the second device can be used, in particular, with the aid of the first device described above for determining an impact frequency and / or impact intensity be controlled within the steel chamber to be accelerated blasting material, so that in this way a particularly precise control of Strahlgutmenge, acceleration intensity and duration is made possible. If, therefore, too small an amount of blasting material impinges on the surface of the component, as long blasting material can be metered in until the desired level is reached again.
  • a particularly uniform and reproducible result of the surface blasting can be ensured by the cover element with a vibration of a predetermined frequency, in particular 20 kHz or less, operated.
  • the vibration excitation is preferably carried out substantially in a rectangular and / or trapezoidal waveform.
  • the acceleration of the blasting material can be set in a particularly simple, variable and independent of the amplitude due to the high edge steepness of a rectangular or trapezoidal waveform.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view through a blasting chamber arrangement for
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a time course of a trapezoidal
  • a blasting chamber arrangement for surface blasting in particular of components such as blisks, rotor blades, blade roots or the like is shown in a schematic sectional view.
  • the blasting chamber arrangement in this case comprises a blasting chamber 14, which is filled with blasting material 12 in the form of metal ball.
  • the blasting chamber arrangement comprises a substantially rotationally symmetrical sonotrode 16 with a disc-shaped cover element 18 delimiting the blasting chamber 14, on which a wall 20, which is moved along with it and revolving around it, is arranged or fastened.
  • the wall 20 is arranged on a lateral edge region of the cover element 18 and forms a wall region of the boundary or chamber wall 21 of the blasting chamber 14.
  • the wall 20 is approximately at right angles from the lid member 18 from above.
  • the wall 20 can be made replaceable and / or removable from the cover element 18, so that walls 20 or wall regions of the chamber wall 21 with different geometries and angular positions relative to the cover element 18 can be used.
  • the wall 20 in its position on the lid member 18 can be adjustable and fixed in the set position.
  • the chamber wall 21 of the blasting chamber 14 comprises a guide element 22 adjoining the wall 20, which in the present case is hingedly connected to the wall 20.
  • the guide element 22 in a stationary manner, so that the cover element 18 or the co-moving wall 20 oscillates relative to the guide element 22.
  • the blasting chamber arrangement has a device 24 for replenishing blasting material and a device 26 for determining an impact frequency and impingement intensity of the blasting material 12 on a component 28 to be blasted onto the surface.
  • the component 28 itself which is an example of a rotor blade in the illustrated exemplary embodiment, is arranged on an open upper side 30 of the blasting chamber 14.
  • the sonotrode 16 which is shown only schematically, is embodied here as an ultrasound sonotrode and comprises on the underside of the cover element 18 a plurality of vibration exciters 32, which are embodied as columnar ultrasound piezoactuators having a substantially cylindrical basic shape. Further, the vibration exciter 32 are connected to a base plate 34 which is formed plane-parallel to the lid member 18.
  • the sonotrode 16 is shown for reasons of clarity without outer trim parts.
  • the blasting material 12 introduced into the blasting chamber 14 is impulsively accelerated onto the component 28 via the cover element 18 of the sonotrode 16 vibrating at a specific oscillation frequency and waveshape and forms a spherical blast within the blasting chamber 14.
  • the circumferentially attached to the lid member 18 wall 20 directs the blasting material 12 on the one hand on the component 28 and on the other hand increases the stability of the oscillating lid member 18. With the help of the adjoining the wall 20 and variable in its angular position guide element 22, the blasting 12 can be deflected variable and be adapted to the surface geometry of the respective component.
  • a device 26 for determining the impact frequency and intensity of the blasting stock 12 is located on the side of the component 28 facing the blasting chamber 14 on the upper side of the component 28.
  • the frequency, amplitude or excitation waveform of the sonotrode 16 are changed.
  • the means 24 for metering blasting 12 by controlling the means 24 for metering blasting 12, the amount of blasting material 12 within the blasting chamber 14 via to keep the entire blasting process constant. This is particularly advantageous in order to be able to machine reproduced various components with complex geometries, without having to make costly and expensive adjustments of the blasting chamber assembly to the surface geometry of the respective component.
  • FIG. 2 diagrammatically shows three periods of a time profile of a deflection 38 of the sonotrode 16 for accelerating the blasting material 12 according to FIG. 1, in which the amplitude A is plotted on the ordinate against the time t on the abscissa of the diagram.
  • the deflection 38 of the sonotrode 16 takes place in the present case substantially trapezoidal with an oscillation frequency, which is preferably below 20 kHz.
  • Such a trapezoidal deflection 38 offers the advantage that a high, largely independent of the amplitude A acceleration of the beam 12 can be achieved and thus a particularly accurate and reproducible process control is possible.
  • pulse-like deflection forms such as a rectangular deflection or the like.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Deckelelement (18) für eine Sonotrode (16), welches insbesondere zum Beschleunigen von Strahlgut (12) innerhalb einer Strahlkammer (14) zum Oberflächenstrahlen von Bauteilen (28) anzuordnen und mittels eines Schwingungserregers (32) der Sonotrode (16) zu betreiben ist, wobei zumindest eine Wand (20), insbesondere ein Wandbereich einer Kammerwand (21) der Strahlkammer (14), vorgesehen ist, welche in einer vorbestimmten Position am Deckelelement (18) angeordnet und mit diesem mitzubewegen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Strahlkammeranordnung zum Oberflächenstrahlen von Bauteilen (28), insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, mit einer von zumindest einer Kammerwand (21) begrenzten Strahlkammer (14) und zumindest einer Sonotrode (16) mit einem Deckelelement (18), welches wenigstens einen mit diesem mit zubewegenden Wandbereich (Wand 20) der Kammerwand (21) umfasst.

Description

Deckelelement für eine Sonotrode und Strahlkammeranordnung zum Oberflächenstrahlen von Bauteilen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Deckelelement für eine Sonotrode und eine Strahlkammeranordnung zum Oberflächenstrahlen von Bauteilen der in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 8 angegebenen Art.
Derartige Deckelelemente und Strahlkammeranordnungen werden beispielsweise zum O- berflächenstrahlen mit Hilfe von Kugeln als Strahlgut von Bauteilen wie Blisks, Rotorblättern, Schaufelfüßen oder dergleichen verwendet. Dabei werden die Kugeln über das Deckelelement der Sonotrode innerhalb einer Strahlkammer beschleunigt und mit hoher Geschwindigkeit gegen die zu behandelnde Oberfläche des jeweiligen Bauteils geschleudert. Auf diese Weise kann eine Steigerung der Dauerfestigkeit, eine gesteigerte Korrosionsbeständigkeit, ohne Materialverfrachtungen am Bauteil erreicht werden. Ein zentrales Problem des Oberflächenstrahlens besteht darin, dass durch falsche Prozessführung wie etwa zu lange Bearbeitungszeit, zu geringer Abstand zwischen Deckelelement und Bauteil oder zu hohe Beschleunigung des Strahlguts leicht eine irreversible Schwächung oder gar Zerstörung des Bauteils verursacht wird. Daher sind Sonotroden, Deckelelemente und Strahlkammeranordnungen, durch welche eine schonende und gezielte Prozessführung sowie die Bearbeitung verschiedenster Bauteiltypen gewährleistet werden kann, von großem Interesse.
Ein derartiges Deckelelement und eine derartige Strahlkammeranordnung sind dabei aus der DE 600 17 681 T2 als bekannt zu entnehmen, in welcher ein Verfahren zum Ultraschall-Kugelstrahlen von großformatigen, ringförmigen Oberflächen dünnwandiger Werkstücke beschrieben ist. Dabei wird ein rotationssymmetrisches Bauteil, wie beispielsweise ein Antriebskegel eines Turbotriebwerks für Luftfahrzeuge, mittels einer Strahlkammeranordnung oberflächengestrahlt. Das Bauteil wird dazu kontinuierlich mindestens fünfmal an der oberen Öffnung der Strahlkammeranordnung in einer Drehbewegung vor- beigefuhrt und dabei von mittels einer Sonotrode beschleunigten Kugeln gestrahlt. Durch das mehrfache Vorbeibewegen soll dabei eine schonende und gleichmäßige Oberflächenbehandlung sichergestellt werden. Die verwendete Stahlkammer selbst ist dabei kleiner als das zu behandelnde Bauteil ausgebildet und besteht aus einem nach oben hin offenen Raum, welcher durch eine Wand zu den Seiten und durch einen Boden nach unten hin begrenzt wird. Am Boden der Strahlkammer ist das Deckelelement der Sonotrode angeordnet, welche durch einen Schwingungsgenerator in Schwingungen versetzt wird. Um während der Oberflächenbehandlung einen Verlust an Kugeln durch Herausschleudern aus der Strahlkammer zu vermeiden, ist vorgesehen, dass zwischen dem Bauteil und der Wand der Strahlkammer ein Spiel mit einem gegenüber dem Durchmesser der Kugeln kleineren Betrag eingestellt wird.
Als nachteilig bei dieser bekannten Strahlkammeranordnung ist der Umstand anzusehen, dass das Deckelelement passgenau in den Boden der Strahlkammer eingefügt werden muss, um ein Durchfallen des Strahlguts aus der Strahlkammer zu vermeiden. Zudem beschleunigt das Deckelelement das Strahlgut relativ ungerichtet, so dass nur ein geringer Anteil auf das zu strahlende Bauteil gelenkt wird.
Als nachteilig an der offenbarten Strahlkammeranordnung ist anzusehen, dass das Spiel zwischen der Strahlkammer und dem entsprechenden zu strahlenden Bauteil aufwendig eingestellt werden muss. Dies ist insbesondere bei einer unregelmäßigen Oberflächengeometrie des Bauteils oft nicht möglich, so dass für jedes Bauteil eine individuell angepasste Strahlkammer entwickelt werden muss. Zudem kann die bekannte Strahlkammeranordnung nur für relativ große, rotationssymmetrische Bauteile verwendet werden und ist zudem nicht für anspruchsvolle Geometrien, wie etwa die Innenseite der Bauteile, verwendbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Deckelelement einer Sonotrode der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass diese einfacher und variabler zu verwenden ist und eine gerichtetere Beschleunigung des Strahlguts ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Strahlkammeranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher ein einfacheres und besser steuerbares Oberflächenbestrahlen von Bauteilen verschiedener Größen, Geometrien und Konturen ermöglicht wird und welche leicht an diese Bauteile angepasst werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Deckelelement für eine Sonotrode sowie durch eine Strahlkammeranordnung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß ist am Deckelelement der Sonotrode, welches insbesondere zum Beschleunigen von Strahlgut innerhalb einer Strahlkammer zum Oberflächenstrahlen von Bauteilen anzuordnen und mittels eines Schwingungserregers der Sonotrode zu betreiben ist, zumindest eine Wand vorgesehen, welche in einer vorbestimmten Position am Deckelelement angeordnet und mit diesem mitzubewegen ist. Als Sonotrode sind dabei insbesondere diejenigen Typen verwendbar, welche als Ultraschall-Piezo- Aktoren ausgebildete Schwingungserreger aufweisen. Die Vorteile eines derartigen Deckelelements sind klar ersichtlich. Durch die Leitwirkung der Wand kann das zu beschleunigende Strahlgut gezielter auf die Oberfläche des zu bestrahlenden Bauteils gelenkt werden und gewährleistet somit eine verbesserte und reproduzierbare Prozessführung. Die Wand erhöht zudem die Stabilität der schwingenden Oberfläche des Deckelelements, so dass eine verbesserte und effizientere Energieübertragung von der Sonotrode auf das Strahlgut gewährleistet ist.
Zusätzlich ermöglicht eine mit einem derartigen Deckelelement versehene Sonotrode eine besonders kompakte Ausgestaltung einer Strahlkammer, so dass auch sterisch anspruchsvolle Oberflächengeometrien wie beispielsweise Innenseiten von Bauteilen bearbeitet werden können. Ein weiterer Vorteil wird dadurch erzielt, dass beispielsweise im Unterschied zum Stand der Technik gemäß DE 600 17 681 T2 das seitliche Spiel zwischen dem Deckelelement der Sonotrode und der Wand der Strahlkammer nicht mehr aufwendig abgestimmt werden muss.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wand an einem seitlichen Randbereich des Deckelelements angeordnet ist. Durch eine derartige Wand kann besonders einfach eine seitliche Begrenzung geschaffen werden, welche einen Verlust an Strahlgut an der Unterseite der Strahlkammer effektiv verhindert.
Idealerweise ist die Wand zudem um das Deckelelement umlaufend ausgebildet, so dass die Strahlkammer sowohl nach unten als auch seitlich vollständig durch das Deckelelement begrenzt wird. Besondere Vorteile lassen sich insbesondere dadurch erzielen, dass die mit dem Deckelelement mitbewegte Wand selbst die Wand der Strahlkammer bildet.
Dadurch, dass die Wand auswechselbar und/oder vom Deckelelement abnehmbar ausgebildet ist, ist eine besonders einfache Möglichkeit geschaffen, das Deckelelement mit äußerst geringem Rüstaufwand schnell und entsprechend kostengünstig auf unterschiedlichste Oberflächengeometrien verschiedner Bauteile abzustimmen. Da die mit dem Deckelelement mitbewegte Wand selbst den Strahlraum bildet, kann somit durch Auswechslung der Wand eine einzige Sonotrode zum Bestrahlen unterschiedlichster Oberflächen eingesetzt werden. Eine zusätzliche Verbesserung der Anpassbarkeit an unterschiedliche räumliche Gegebenheiten wird in besonders einfacher Weise dadurch ermöglicht, dass die Wand in ihrer Position am Deckelelement einstellbar und in der eingestellten Position festlegbar ist. Eine derartige Verstell- und Festlegbarkeit kann dabei über geeignete lösbare Verbindungselemente wie beispielsweise Schraub- oder Klemmverbindungen erfolgen. Denkbar sind aber auch alle sonstigen geeigneten, dem Fachmann bekannte Verbindungsarten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Höhe der Wand im Verhältnis zur Breite, insbesondere zum Durchmesser, des Deckelelements erheblich kleiner ausgebildet ist und vorzugsweise in einem Verhältnis zwischen 1 :6 und 1:14 und insbesondere 1:10 steht. Da eine im Vergleich zum Deckelelement deutlich kleinere Wand auch eine entsprechend geringere träge Masse besitzt, welche durch das Deckelelement beschleunigt werden muss, kann auf diese Weise ein besonders schnelles Ansprechen und weitestgehend verzögerungsfreies Mitbewegen der Wand sichergestellt werden. Ein Verhältnis von etwa 1 :10 hat sich dabei als besonders geeigneter Kompromiss zwischen den Anforderungen der Mitbewegbarkeit, also möglichst geringe Masse, und der Leitelementeigenschaften für Strahlgut, also möglichst große Höhe, gezeigt. Eine baulich besonders einfache und zum Ablenken des Strahlguts auf die Oberfläche des Bauteils besonders geeignete Ausgestaltung des Deckelelements kann schließlich dadurch erzielt werden, dass die Wand zumindest annähernd rechtwinklig am Deckelelement angeordnet ist.
Erfindungsgemäß umfasst eine Strahlkammeranordnung zum Oberflächenstrahlen von Bauteilen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, eine von zumindest einer Wand begrenzte Strahlkammer und zumindest eine Sonotrode mit einem Deckelelement, mittels welchem Strahlgut innerhalb der Strahlkammer zu beschleunigen ist, wobei vorgesehen ist, dass das Deckelelement wenigstens einen mit diesem mitzubewegenden Wandbereich der Wand umfasst. Anders ausgedrückt ist bei einer erfindungsgemäßen Strahlkammeranordnung vorgesehen, dass das Deckelelement der Sonotrode zumindest einen Wandbereich der Wand der Strahlkammer umfasst und dass dieser Wandbereich mit dem Deckelelement mitbewegbar ist. Das Deckelelement überträgt dabei die von der Sonotrode erzeugte Schwingung auf das in die Strahlkammer einzubringende Strahlgut, welches dadurch auf eine Oberfläche eines an einer Öffnung der Strahlkammer anzuordnenden Bauteils beschleunigt wird. Die Öffnung befindet sich dabei vorzugsweise auf der dem Deckelelement der Sonotrode gegenüberliegenden Seite der Strahlkammer, wobei allerdings auch davon abweichende räumliche Anordnungen denkbar sind. Es ist folglich im Gegensatz zum Stand der Technik nicht länger erforderlich, das Deckelelement der Sonotrode in den Boden der Strahlkammeranordnung einzupassen, um diesen passgenau zu verschließen und dadurch einen Verlust von Strahlgut zu vermeiden. Zudem entfallt die Notwendigkeit, das Spiel zwischen der Wand und dem Boden bzw. dem Deckelelement - falls dieses selbst als Boden fungiert - anzupassen, um einen Verlust von Strahlgut an den seitlichen Kontaktflächen zu verhindern. Besonders einfach lässt sich eine derartige Strahlkammeranordnung verwirklichen, wenn die Sonotrode gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist. Die dort beschriebenen Vorteile gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäße Strahlkammeranordnung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein weiterer Wandbereich der Wand vorgesehen, welcher als sich an den mit dem Deckelelement mitbewegenden Wandbereich anschließendes Leitelement ausgebildet ist. Mit Hilfe eines der- artigen Wandbereichs kann eine einfache Anpassung der Distanzen und Ablenkwinkel des Strahlguts durchgeführt werden. Da erfmdungsgemäß weiterhin vorgesehen ist, dass der weitere Wandbereich in seiner Position einstellbar und in der eingestellten Position festlegbar ist, lässt sich eine besonders schnelle und einfache Möglichkeit zur Anpassung der Strahlkammeranordnung an Bauteile mit unterschiedlichsten Oberflächengeometrien verwirklichen. Besondere Vorteile lassen sich dadurch verwirklichen, dass der zum Beispiel als Leitelement ausgebildete zusätzliche Wandbereich direkt an dem mit dem Deckelelement mitzubewegenden Wandbereich angebracht ist. Als einfache und kostengünstige Möglichkeit zum Einstellen und Festlegen des Wandbereichs eignen sich dabei beispielsweise Schraubverbindungen. Denkbar sind aber auch andere, dem Fachmann geläufige Verbindungstypen und Anordnungsmöglichkeiten.
Um eine optimale und direkte Steuerung der Intensität und Dauer des Oberflächenstrahlens sicherzustellen, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass eine erste Einrichtung zur Ermittlung einer Auftrefffrequenz und/oder Auftreffmtensität des innerhalb der Strahlkammer zu beschleunigenden Strahlguts vorgesehen ist, welche vorzugsweise auf einer dem Deckelelement abgewandten Seite am Bauteil anzuordnen ist. Besonders geeignet sind zu diesem Zweck Einrichtungen, welche beispielsweise als Schwingungsaufnehmer ausgebildete Induktionssensoren, Schallsensoren oder dergleichen umfassen. Durch die Anordnung auf der dem Deckelelement abgewandten Seite am Bauteil kann die Einrichtung einerseits einfach und variabel angeordnet werden und ist andererseits vor mechanischer Beschädigung durch das Strahlgut geschützt. Denkbar ist es zudem, dass die erste Einrichtung zur Ermittlung der über das Strahlgut auf das Bauteil übertragenen Gesamtenergie verwendet wird.
Da für komplexe Bauteile nicht immer eine geschlossene Kammer bereitgestellt werden kann, ist erfindungsgemäß eine zweite Einrichtung zum Nachdosieren des innerhalb der Strahlkammer zu beschleunigenden Strahlguts vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, die Gesamtmenge an Strahlgut auch im Fall eines eventuellen Verlustes durch Entweichen aus der Strahlkammer konstant zu halten und so eine reproduzierbare Prozessführung zu gewährleisten. Die zweite Einrichtung kann dabei insbesondere mit Hilfe der vorab beschriebenen ersten Einrichtung zur Ermittlung einer Auftrefffrequenz und/oder Auftreffmtensität des innerhalb der Stahlkammer zu beschleunigenden Strahlguts gesteuert werden, so dass auf diese Weise eine besonders exakte Steuerung der Strahlgutmenge, Beschleunigungsintensität und -dauer ermöglicht ist. Falls demnach also eine zu geringe Menge an Strahlgut auf der Oberfläche des Bauteils auftrifft, kann so lange Strahlgut nachdosiert werden, bis das gewünschte Niveau wieder erreicht ist.
Ein besonders gleichmäßiges und reproduzierbares Ergebnis des Oberflächenstrahlens kann gewährleistet werden, indem das Deckelelement mit einer Schwingung einer vorbestimmten Frequenz, insbesondere 20 kHz oder weniger, betrieben ist. Die Schwingungsanregung erfolgt dabei vorzugsweise im Wesentlichen in Rechteck- und/oder Trapezwellenform. Im Gegensatz zum Stand der Technik, gemäß welchem die Beschleunigung des Strahlguts lediglich durch Anpassung der Amplitude der Schwingungsanregung möglich ist, kann aufgrund der hohen Flankensteilheit einer Rechteck- bzw. Trapezwellenform die Beschleunigung des Strahlguts besonders einfach, variabel und unabhängig von der Amplitude eingestellt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Strahlkammeranordnung zum
Oberflächenstrahlen mit einer mit Strahlgut befüllten Strahlkammer, welche nach unten durch ein Deckelelement einer Sonotrode und seitlich durch eine vom Deckelelement gebildete Wand begrenzt ist, mit einem seitlich an die Wand anschließenden Leitelement, mit einer Einrichtung zum Nachdosieren von Strahlgut und mit einer auf der Oberseite des zu strahlenden Bauteils angeordneten Einrichtung zur Ermittlung einer Auftrefffrequenz und - intensität des Strahlguts; und in Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines zeitlichen Verlaufs einer trapezförmigen
Auslenkung der Sonotrode zum Beschleunigen des Strahlguts gemäß Fig. 1 über drei Schwingungsperioden.
In Fig. 1 ist in einer schematischen Schnittansicht eine erfindungsgemäße Strahlkammeranordnung zum Oberflächenstrahlen insbesondere von Bauteilen wie Blisks, Rotorblättern, Schaufelfüßen oder dergleichen dargestellt. Die Strahlkammeranordnung umfasst dabei eine Strahlkammer 14, welche mit Strahlgut 12 in Form von Metallkugel befüllt ist. Weiterhin umfasst die Strahlkammeranordnung eine im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildete Sonotrode 16 mit einem die Strahlkammer 14 nach unten begrenzenden scheibenförmigen Deckelelement 18, an welchem eine mit diesem mitbewegte und umlaufend um dieses ausgebildete Wand 20 angeordnet bzw. befestigt ist. Vorliegend ist die Wand 20 an einem seitlichen Randbereich des Deckelelements 18 angeordnet und bildet einen Wandbereich der Begrenzungs- bzw. Kammerwand 21 der Strahlkammer 14. Gleichfalls wäre es jedoch auch denkbar, eine zentral des Deckelelements 18 angeordnete Wand 20 einzusetzen, welche dann gegebenenfalls keine Begrenzungs- bzw. Kammerwand 21 der Strahlkammer 14 bilden muss. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel steht die Wand 20 etwa rechtwinklig von dem Deckelelement 18 nach oben hin ab. In einer anderen Ausführungsform kann die Wand 20 auswechselbar und/oder vom Deckelelement 18 abnehmbar ausgebildet sein, so dass Wände 20 bzw. Wandbereiche der Kammerwand 21 mit unterschiedlichen Geometrien und Winkelstellungen gegenüber dem Deckelement 18 zum Einsatz kommen können. Ebenso kann die Wand 20 in ihrer Position am Deckelelement 18 einstellbar und in der eingestellten Position festlegbar sein.
Neben der Wand 20 umfasst die Kammerwand 21 der Strahlkammer 14 ein sich an die Wand 20 anschließendes Leitelement 22, welches vorliegend gelenkig einstellbar mit der Wand 20 verbunden ist. Gleichfalls wäre es jedoch auch denkbar, das Leitelement 22 ortsfest anzuordnen, so dass das Deckelelement 18 bzw. die mitbewegte Wand 20 gegenüber dem Leitelement 22 schwingt. Außerdem weist die Strahlkammeranordnung eine Einrichtung 24 zum Nachdosieren von Strahlgut sowie eine Einrichtung 26 zur Ermittlung einer Auftrefffrequenz und Auftreffm- tensität des Strahlguts 12 auf einem oberflächenzustrahlenden Bauteil 28 auf.
Das Bauteil 28 selbst, bei welchem es sich im abgebildeten Ausführungsbeispiel exemplarisch um ein Rotorblatt handelt, ist an einer offenen Oberseite 30 der Strahlkammer 14 angeordnet. Die lediglich schematisch gezeigte Sonotrode 16 ist vorliegend als Ultraschall- Sonotrode ausgebildet und umfasst unterseitig des Deckelelements 18 eine Mehrzahl von Schwingungsanregern 32, welche als säulenförmige Ultraschall-Piezo-Aktoren mit im Wesentlichen zylindrischer Grundform ausgeführt sind. Weiter sind die Schwingungsanreger 32 mit einer Grundplatte 34 verbunden, welche planparallel zum Deckelelement 18 ausgebildet ist. Die Sonotrode 16 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit ohne äußere Verkleidungsteile dargestellt.
Zum Oberflächenstrahlen des Bauteils 28 wird das in die Strahlkammer 14 eingebrachte Strahlgut 12 über das mit einer bestimmten Schwingungsfrequenz und -wellenform schwingende Deckelelement 18 der Sonotrode 16 impulsartig auf das Bauteil 28 beschleunigt und bildet innerhalb der Strahlkammer 14 einen Kugelnebel. Die umlaufend um das Deckelelement 18 befestigte Wand 20 lenkt einerseits das Strahlgut 12 auf das Bauteil 28 und erhöht andererseits die Stabilität des schwingenden Deckelelements 18. Mit Hilfe des an die Wand 20 anschließenden und in seiner Winkelstellung veränderbaren Leitelements 22 kann das Strahlgut 12 variabel abgelenkt und der Oberflächengeometrie des jeweiligen Bauteils angepasst werden.
Zur Gewährleistung eines reproduzierbaren Oberflächenstrahlens und einer optimalen Prozessführung befindet sich an der Oberseite des Bauteils 28 eine Einrichtung 26 zur Ermittlung der Auftrefffrequenz und -intensität des Strahlguts 12 auf die der Strahlkammer 14 zugewandeten Seite des Bauteils 28. In Abhängigkeit der ermittelten Messwerte dieser Einrichtung 26 kann beispielsweise die Frequenz, Amplitude oder Anregungswellenform der Sonotrode 16 geändert werden. Zudem ist es im Fall eines Verlusts an Strahlgut 12 - welcher beispielsweise über einen Zwischenraum 36 zwischen dem Leitelement 22 und dem Bauteil 28 auftreten kann - möglich, durch Steuerung der Einrichtung 24 zum Nachdosieren von Strahlgut 12 die Menge an Strahlgut 12 innerhalb der Strahlkammer 14 über den gesamten Strahlprozess konstant zu halten. Dies ist besonders vorteilhaft, um verschiedenste Bauteile mit komplexen Geometrien reproduzierbar bearbeiten zu können, ohne kostspielige und aufwendige Anpassungen der Strahlkammeranordnung an die Oberflächengeometrie des jeweiligen Bauteils vornehmen zu müssen.
In Fig. 2 sind schematisch drei Perioden eines zeitlichen Verlaufs einer Auslenkung 38 der Sonotrode 16 zum Beschleunigen des Strahlguts 12 gemäß Fig. 1 in Diagrammform dargestellt, wobei die Amplitude A auf der Ordinate gegen die Zeit t auf der Abszisse des Diagramms aufgetragen sind. Die Auslenkung 38 der Sonotrode 16 erfolgt im vorliegenden Fall im Wesentlichen trapezförmig mit einer Schwingungsfrequenz, die bevorzugt unterhalb von 20 kHz liegt. Eine derartige trapezförmige Auslenkung 38 bietet dabei den Vorteil, dass eine hohe, von der Amplitude A weitgehend unabhängige Beschleunigung des Strahlguts 12 erzielbar und dadurch eine besonders exakte und reproduzierbare Prozessführung möglicht ist. Denkbar sind allerdings auch weitere, impulsartige Auslenkungsformen wie etwa eine Rechteckauslenkung oder dergleichen.

Claims

Patentansprüche
1. Deckelelement (18) für eine Sonotrode (16), welches insbesondere zum Beschleunigen von Strahlgut (12) innerhalb einer Strahlkammer (14) zum Oberflächenstrahlen von Bauteilen (28) anzuordnen und mittels eines Schwingungserregers (32) der Sonotrode (16) zu betrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Wand (20), insbesondere ein Wandbereich einer Kammerwand (21) der Strahlkammer (14), vorgesehen ist, welche in einer vorbestimmten Position am Deckelelement (18) angeordnet und mit diesem mitzubewegen ist.
2. Deckelelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (20) an einem seitlichen Randbereich des Deckelelements (18) angeordnet ist.
3. Deckelelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (20) um das Deckelelement (18) umlaufend ausgebildet ist.
4. Deckelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (20) auswechselbar und/oder vom Deckelelement (18) abnehmbar ist.
5. Deckelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (20) in ihrer Position am Deckelelement (18) einstellbar und in der eingestellten Position festlegbar ist.
6. Deckelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Wand (20) im Verhältnis zur Breite, insbesondere zum Durchmesser, des Deckelelements (18) erheblich kleiner ist, vorzugsweise in einem Verhältnis zwischen 1:6 und 1:14 und insbesondere 1 :10 steht.
7. Deckelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (20) zumindest annähernd rechtwinklig am Deckelelement (18) angeordnet ist.
8. Strahlkammeranordnung zum Oberflächenstrahlen von Bauteilen (28), insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, mit
- einer von einer Kammerwand (21) begrenzten Strahlkammer (14) und
- zumindest einer Sonotrode (16) mit einem Deckelelement (18), mittels welchem Strahlgut (12) innerhalb der Strahlkammer (14) zu beschleunigen ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Deckelelement (18) wenigstens einen mit diesem mitzubewegenden
Wandbereich (Wand 20) der Kammerwand (21) umfasst.
9. Strahlkammer anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (16) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
10. Strahlkammeranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiterer Wandbereich der Kammerwand (21) vorgesehen ist, welcher als sich an den mit dem Deckelelement (18) mitbewegenden Wandbereich (Wand 20) anschließendes Leitelement (22) ausgebildet ist.
11. Strahlkammeranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (22) in seiner Position einstellbar und in der eingestellten Position festlegbar ist.
12. Strahlkammeranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Einrichtung (26) zur Ermittlung einer Auftrefffrequenz und/oder Auftreffmtensität des innerhalb der Strahlkammer (14) zu beschleunigenden Strahlguts (12) vorgesehen ist, welche vorzugsweise auf einer dem Deckelelement (18) abgewandten Seite am Bauteil (28) anzuordnen ist.
13. Strahlkammeranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Einrichtung (24) zum Nachdosieren des innerhalb der Strahlkammer (14) zu beschleunigenden Strahlguts (12) vorgesehen ist.
14. Strahlkammeranordnung nach Anspruch 12 und 13 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einrichtung (24) in Abhängigkeit der durch die erste Einrichtung (26) ermittelten Auftrefffrequenz und/oder Auftreffintensität des zu beschleunigenden Strahlguts (12) zu steuern ist.
15. Strahlkammeranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelelement (18) mit einer Schwingung einer vorbestimmten Frequenz, insbesondere 20 kHz oder weniger, betrieben ist, wobei die Schwingung vorzugsweise im Wesentlichen Rechteck- und/oder Trapezwellenform (38) besitzt.
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